中国高速列车技术方面问题zt

雪域神舟

中国高速列车技术方面问题

八阕 http://www.popyard.org 【八阕】日本的新干线也是个好东西，引进的理由充分，也应该理直气壮，却偏偏心怀鬼胎，刷上CRH字母就大张旗鼓宣传是“自主创新”。这件事本身就是冒开天大不讳，本身就是巨大的“创新”。中国的高铁开通，积极忙忙从图书馆借来数本新干线的书苦读，正好原来的本行的是电机拖动，看起来驾轻就熟。看了几本书，就敢壮着胆子得出了结论：新干线是个好东西，中国的中华之星为什么会出局，法国的TGV和德国的ICE从开始就是陪太子读书的烟雾弹。铁道部从一开始就选择了新干线，这个选择从技术角度是非常合理的，也是非常英明的，但采取这种曲线迂回方式就不光明磊落了，不知道藏着什么“鬼”。
本文主要从专业技术角度分析入手，新干线的技术沿革及与其它车型的比较。力图通俗易懂。
一、 新干线简单的技术沿革
新干线的设想从战前就开始了，战后随着日本经济的高速发展，东京----大阪间（东海道线）的客流急速增长，旧有铁路不能满足要求。日本的土地狭窄，不能靠增加铁路缓解客流压力，而是要靠提高车速和行车密度来满足要求。日本的铁路是窄轨的，轨距1067mm，时速160km就到了极限。采用标准轨轨距1435mm，时速200km以上，彻底甩开原来的铁路线，于是被称为“新干线”。
1964年10月，新干线正式通车，也可以算是迎接东京奥运会的献礼工程。新干线并不是传说中的那么安全可靠，最初的几年事故频繁，几乎天天有故障，幸运的是没有旅客伤亡，但却有维修人员伤亡。《新幹線安全神話はこうしてつくられた》（新干线的安全神话是这样创造的），作者是齐藤雅男，当年是新干线抢修
队的队长，讲述他当年的故事。新干线开通不久，多次出现半路抛锚，列车在半路断电，没有照明没有暖气，乘客在寒风中忍耐，几小时后他们才抵达现场。还有脱轨事故、车轴断裂、车厢漏水、厕所和车门被吹飞等等等等。还有线路方面的故障，铁路不均匀沉降，信号系统故障。写出来于是成了这本厚书。
幸好新干线诞生在日本，如果在中国，这么多初期故障早就被枪毙了，中华之星和运十就是此命运吧。作者带领队伍顽强拼搏，排除故障，查找原因，改进设计，改进制造工艺。在不断失败挫折中，积累了konw-how。新干线逐步成长，越来越强壮，创造了安全运行40年的神话。
这最初的被称为0系的新干线，从1964年开始到1985年，共生产了21年，合计产量3216辆，是产量最高的高速列车，奠定了日本高速铁路的技术基础。总设计师当年到日本访问，乘坐的就是这0系新干线。20年一贯制，也幸好新干线诞生在日本，被日本当作骄傲，要在中国会被视为计划经济保守落后的标志，批判的声音铺天盖地。
不愿意忍受初始的故障，也不愿意忍受20年一贯制，直接就想享受最新最好的东西。这大概是中国诞生不了高速铁路及其它技术的原因吧。也是成不了现代化国家的原因。 0系新干线采用直流电机驱动，分散动力，每个车轴一台直流电机，功率185kw。
调速采用变压器抽头，机械开关切换电压。电磁制动时，电动机处于发电机状态，发出的电能用电阻消耗。0系新干线的技术是异常简单的，只可惜当年总设计师乘坐新干线时只知道享受去了，眼睛看不远，没有想到回来自己做。按照当时的技术能力，集中力量攻关，造出0系新干线应该没有什么问题。
0系新干线的技术虽然简单，但缺点也是显而易见的。直流电机虽然控制简单，实现容易，但有整流器和电刷部件，维护工作量大，寿命短，也限制了速度提高。电磁制动时，电能不能回送电网，只能用电阻变为热白白损失掉。进入80年代，随着电力半导体技术的逐步成熟，逐步从直流向交流电机驱动过渡。
从直流向交流过渡不是一蹴而就，有个缓慢的技术进展过程。1985年开始，在100，200，400系的新干线上采用可控硅调相调速。用可控硅取代0系新干线上的机械开关切换电压，实现无级电压调节，还是使用直流电机驱动。400系是最后一种采用直流电机驱动的新干线，1991年制造，用于1992年开业的山形新干线。
随着半导体技术的进展，出现了GTO器件，可以实现VVVF(Variable Voltage VariableFrequency)可变电压可变频率控制器。实现对交流电机的控制。300、500、E1、E2的一部、E3系采用了交流异步电机驱动。交流异步电机结构简单可靠，免维护
，转速高，使新干线由原来的210km/h的速度提到高270km/h500系的速度则达到300km/h。由于高速化，需要减轻车体重量，大量使用铝合金结构。300系新干线1992年投入东海道线运行，东京到大阪的运行时间由原来超过3小时，缩短为2小时30分。
半导体技术的继续进展，出现了IGBT器件。IGBT比GTO有更高的开关频率，还可以省略关断回路，能够使系统更加小型轻量高效率化，降低了噪声。使用IGBT的VVVF控制器的新干线为700、E2的一部、E4系。700系新干线1999年量产，目前是东海道线的主力车型。
E2系新干线的特点是适合在频繁停靠站的线路使用，例如站间间隔30km，有优良的加速特性，和减速时电能回送电网特性，还通过了时速315km的耐久试验，1997年开始在东北新干线使用，运营速度为275km/h。E2系新干线大量采用了轻量化技术，铝合金车体，齿*变速箱也采用铝合金，由于轻量化，列车轴重只有13吨。轻量化进一步提高了列车的启动停止性能。
中国购买的E2-1000型列车是一般E2的升级，使用最新的IGBT控制器。E2-1000系2002年12月投入东京----八户线（东北新干线的延长段）。E2-1000全面采用铝合金结构，大车窗，车窗尺寸相当于两列座椅，宽畅明亮。高级车的座椅配置为每列2+2，间距1160mm。普通车则是3+2，间距980mm。座椅还可以180度回转，大家可以看看，CRH的内部是否这样。
二、与法国的TGV和德国的ICE比较
竞争中国高速铁路的还有法国的TGV和德国的ICE。新干线最突出的优点是大，新干线的车宽是3.4m，TGV是2.8m，ICE是3m。由此带来的座椅布置，TGV只能2+2，间隔只有860mm，太窄了。ICE也只能2+2，间隔为950mm。新干线则可以有3+2，间隔980mm，很宽敞，甚至还可以密集3+3布置。整辆列车的定员，TGV大约300-500人，ICE为700人，新干线可以有1600人。差距是巨大的。考虑到新干线的指挥调度系统，间隔15分钟的发车能力，同样一条铁路的输送能力差距非常巨大。
之所以出现这种差别，跟三国的国土人口关系很大。法国是日本面积的1.6倍，人口只有一半，人口集中在巴黎。巴黎人口800万，离巴黎400km的里昂人口60万，其它城市人口只有数万规模。法国不需要新干线那么大的输送能力。需要的是与飞机相当程度的输送能力（300-500），距离数百公里的点对点运输。这种点对点的运输，需要提高最高车速，于是车体宽度窄，减少阻力，以利高速。
德国的人口密度比法国大，于是开发法国与日本的中间车型，1列车定员700人左右。与日本类似，除了长距离的高速区间以外，也有间隔数十公里的车站。由于还需要在普通线路上行车，车体宽度被限制在3m。
法国的列车用于点对点运输，对启动停止性能要求不高，于是采用集中动力结构，一头一尾两个动力车，中间则是无动力车ICE也是采用集中动力结构，但ICE3则转向了分散动力，提高加减速性能。新干线则一直采用分散动力，有优良的加减速特性，尤其是能够通过电磁制动把大量的能量回送电网，降低电力消耗。
使用分散动力，由于故障在损失几个轴驱动的情况下，仍然能保证列车安全正点运行。新干线延误10分钟以上的故障率为0.01件每百万车辆公里。TGV延误15分钟以上的故障率为0.8件每百万车辆公里。虽然统计的标准有差异，不能严格比较，新干线的故障率大约只有TGV的百分之一。引起TGV故障率高的原因还有法国半导体变流技术的落后，还在使用GTO和同步交流电机。同步交流电机有滑环和电刷结构，维护工作量大，故障率高。ICE3使用分散动力，但历史短，实绩少。半导体变流依然使用GTO，也反映了德国半导体技术的落后。
气动外形方面，由于欧洲地形平坦，隧道少，车形设计只考虑了空气阻力。而新的新干线车型都考虑了在隧道中高速通行，显著的特征是车头不象子弹头而更象鸭嘴，这特点我们可以观察CRH，还有自研的中华之星。
从上面的分析，中国的国土结构和人口分布更类似于日本，选择新干线是必然的。从客流量就可以判决TGV和ICE的死刑。这一点铁道部从开始就应该心知肚明。拉TGV和ICE只是摆迷魂阵，当然主要还只是迷魂国内的舆论。随着E2-1000在中国投入运行，更不可能回头去选择TGV和ICE这样的迷你小车。
当然，ICE3还有一线希望，毕竟也采用了分散动力，车也稍微大一点。但是，高速铁路除了列车以外，还有车辆的保养维修系统和调度管理系统。不同的车型，这些系统之间很难兼容。此外，TGV和ICE的轴重为17吨，E2-1000只有13吨，轻意味着对线路破坏磨损小，对旧线路改造也容易。很难想象，中国会使用万国车，民族情绪会让位于经济思考，反正都是买车，买德国车和买日本车实际没有本质区别。
三、中华之星的必然出局
中华之星使用集中动力，必然导致它出局，集中动力不是未来的发展方向，也不符合中国的使用要求。集中动力，对于普通列车问题不大，但对于高速列车，如果在车站间隔小的线路上运行，则远达不到标称速度。中华之星最高速度跑到300多公里，TGV和ICE的标称速度也很高，但实际运行起来，实际达不到新干线的速度，除非远距离的点对点运输。集中动力的耗电量也大，不能有效的电磁回馈制动。
但是，集中动力的中华之星依然可以在中国的很多线路上使用。经过这么多年的岁月，铁道部应该不会象当年的设计师一样鼠目寸光，但有现实的困难。铁道部面对的实际是毫无技术能力的中国，这和当年的设计师不一样。
中华之星的关键技术点，必须购买国外的。中华之星被枪毙的直接原因是进口轴承故障。表面是轴承故障，实际是整车与轴承配合问题。只能够根据买来的轴承去设计车，而不能根据车去设计轴承，或者车和轴承相互调整设计。想自己设计制造轴承？轴承厂已经根据市场换技术原则给卖掉了，呵呵。VVVF交流控制器中
的CPU/DSP只能买，大功率的GTO，即便已经是上一代产品，也只能买。它们与电机之间完全不能配合，因为自己不会设计制造。半导体工业早就根据“比较优势”原则放弃了。至于电机，比如我是电机专业出身，我的同学之中很少有人搞电机了，我也不搞电机了，呵呵。
即便铁道部想支持国产，准备忍受初期的故障，还准备象0系新干线一样冒着国民的唾骂搞20年一贯制，20年磨一剑。面临的却是巧妇难为无米之炊，这和总设计师当年的条件完全不一样。
中国的技术基础已经崩溃了，不能支持这种在传统的集中式基础上进行改进磨合。当初设计中华之星采用集中动力，也是迫不得已，当时已经能很清楚看出分散动力的优越性。但是，集中式只需要在原来韶山电力机车上小改就可以了，如果另起炉灶搞分散式，则需要很多专业合作攻关，在一包就灵的科研体制下，根本
就实现不了。
四、新干线的核心技术和国产化率
新干线的最核心部分是“台车”，四个*子组成的小车。一节车厢有两个台车。台车上集成了驱动电机、轴承、刹车、悬挂、VVVF控制器。这么多的部件集成在小小的台车上，还涉及很多专业。
在“自主创新”的风潮下，跟流行算GDP一样算垃圾一般的国产化率。CRH的国产化率据说达到了75%。有人戏说，一辆日本列车，一块中国产的CRH牌子，两个中国产的螺钉，算下来国产化率也达到了75%。
国产化率算法千奇百怪，各有巧妙不同。不知道铁道部的算法如何，是按零件的个数算，还是按价值算，还是按关键部件计算。
其实呢，国产化率这一指标毫无意义。会做就是会做，不会就是不会。自己会做包给别人做降低成本，也非常合情合理，比如波音飞机的美国的国产化率算下来可能不高，中国也参与做了很多部件，但中国就是不会造波音飞机。希望铁道部能开列个清单，这个CRH里面，哪些我们能做，哪些还不能做。通过购买CRH，能
够做哪些以前不会做的，哪些部分根本就不打算做。
是否那个“台车”就一直从日本买？
选择新干线没有错，但挂着“自主创新”的牌子，自己骗自己就有错了。

wheremylove

动力分散是好，但是也不用把动力集中贬得那么低……
中国的体制确实有问题，但就这样不也发展的挺快吗，如果再多调动哪怕是1%的人的潜力，我们就不得了了……

雪域神舟

其实我待见的是主要是这段话， :)  ：

幸好新干线诞生在日本，如果在中国，这么多初期故障早就被枪毙了，中华之星和运十就是此命运吧。……
20年一贯制，也幸好新干线诞生在日本，被日本当作骄傲，要在中国会被视为计划经济保守落后的标志，批判的声音铺天盖地。 不愿意忍受初始的故障，也不愿意忍受20年一贯制，直接就想享受最新最好的东西。这大概是中国诞生不了高速铁路及其它技术的原因吧。也是成不了现代化国家的原因。

山区高速

好文章！！

markus809

这帖子的错误也太多了吧？！不说别的，ICE3用的是IGBT。Siemens就是靠半导体起家的。旗下的Infineon更是半导体业界的旗帜。

[ 本帖最后由 markus809 于 2007-2-23 13:26 编辑 ]

Redbee

竞争中国高速铁路的还有法国的TGV和德国的ICE。新干线最突出的优点是大，新干线的车宽是3.4m，TGV是2.8m，ICE是3m。由此带来的座椅布置，TGV只能2+2，间隔只有860mm，太窄了。ICE也只能2+2，间隔为950mm。新干线则可以有3+2，间隔980mm，很宽敞，甚至还可以密集3+3布置。整辆列车的定员，TGV大约300-500人，ICE为700人，新干线可以有1600人。差距是巨大的。考虑到新干线的指挥调度系统，间隔15分钟的发车能力，同样一条铁路的输送能力差距非常巨大。
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这段有点离谱:L

Hercules

原贴作者连引进的是啥都没有搞清楚……

riiya

寫得不錯啊~

:)

2549

敢说Siemens 半导体不好？
Siemens 的标准还用得少吗？
MMC是什么？
工厂里的PLC什么的多？
变频器Siemens的如何？

ICE3使用的半导体元件不会比E2的差

同步交流电动机，对于线圈配置在里面的那种确实不好，不利于维护。

但我不相信既然控制电路可以适合同步交流电动机，为什么不可以换成永磁同步电动机？

我不认为现在的TGV仍然使用带滑环碳刷的同步交流电机，控制上更好的永磁同步电动机原理上是一样的。

只要控制系统合适，同样体积的永磁同步电动机会比异步电动机拥有更出色的性能，更大的功率和转矩

2549

永磁同步电动机作为牵引电机，最大的障碍是变频器

至于电动机本身，体积功率比其它电机都大，特性要好，造价要高

如果是永磁同步，动轴的装机功率轻易达到2000KW以上

bahn.comfort

ICE3宽是3米，但是跑到中国的CRH3就是3.3米了，和日本车也差不了太多。

kaikaicool

一个国家的实力体现关键是基础工业.
先不说什么高科技微电子什么的,中国能够
踏踏实实的制作住自己的精密机床就是很了不起的事情.

Sarge

原帖由 雪域神舟 于 2007-2-23 12:04 发表
其实我待见的是主要是这段话， :)  ：

幸好新干线诞生在日本，如果在中国，这么多初期故障早就被枪毙了，中华之星和运十就是此命运吧。……
20年一贯制，也幸好新干线诞生在日本，被日本当作骄傲，要在中国 ...

60年代日本有90年代中国的学术腐败和严重人才问题吗?比比JAXA能把H2发射失败的检讨挂上半年与咱们96215,就知道咱们落后在哪里了

yixiuge1977

:) :(

herroyuy

错误一堆..........居然为了这车还想自己搞DSP和CPU？这个工程不会比研发这个车小........
几十块钱的东西........谁不是买的。

bahn.comfort

nokia都不自己做DSP，直接买TI的，全球化生产不必太讲究所有部件的国产化。

SweetCookie

原帖由 kaikaicool 于 2007-2-24 01:39 发表
一个国家的实力体现关键是基础工业.
先不说什么高科技微电子什么的,中国能够
踏踏实实的制作住自己的精密机床就是很了不起的事情.

顶一个！